лаба 2 по полупроводникам Эффект Ганна

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Лабораторная работа

«ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ГАННА»

Выполнили студенты

3 курса 3 группы

Яхно Алексей

Машлякевич Леонид

БГУ, 2014

Цель работы: изучение эффекта Ганна, принципов работы СВЧ диодов на его основе и установление взаимосвязи между вольтамперными характеристиками диодов и выходными энергетическими параметрами.

ЭФФЕКТ ГАННА

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ДИОДОВ ГАННА

Эффект Ганна был обнаружен в 1963 году сотрудником фирмы IBM Дж. Ганном в GaAs n-типа. В настоящее время он широко используется в полупроводниковой СВЧ-электронике, в частности, для генерирования СВЧ колебаний [1-5].

2.1. Физическая сущность эффекта Ганна

Сущность эффекта Ганна заключается в возникновении спонтанных осцилляций тока (СВЧ-колебаний) в объеме однородного полупроводникового образца при приложении к нему постоянного электрического поля, большего некоторого порогового значения (критическое значение поля В чем заключается эффект Ганна= 3,5 кВ/см для GaAs и В чем заключается эффект Ганна= 6 кВ/см для InP).

Объяснение эффекта было дано на основе механизма междолинного перехода электронов в зоне проводимости (механизм Ридли — Уоткинса — Xилсума), предложенного еще до открытия эффекта. Рассмотрим этот механизм на примере полупроводника, имеющего два минимума (две долины) в зоне проводимости, в которых различается эффективная масса носителей заряда, их подвижность и плотность состояний. На рис. 1 схематически представлена структура зоны проводимости GaAs.

Механизм возникновения эффект Ганна

Рис.1. Энергетическая диаграмма зоны проводимости GaAs.

При комнатной температуре и слабом электрическом поле практически все электроны будут находиться в нижней долине. Плотность электрического тока, протекающего через образец

В чем заключается эффект Ганна

(1)

где В чем заключается эффект Ганна- заряд электрона, Механизм возникновения эффект Ганна- концентрация электронов в равновесном состоянии, В чем заключается эффект Ганна- подвижность электронов, соответствующая нижней долине, В чем заключается эффект Ганна- величина приложенного электрического поля.

Механизм возникновения эффект Ганна

(2)

есть средняя дрейфовая скорость электронов, пропорциональная приложенному полю.При достаточно большом поле ( В чем заключается эффект Ганна) кинетическая энергия электронов может возрасти больше, чем на В чем заключается эффект Ганна, и они перейдут в верхнюю долину с большей эффективной массой, которой соответствует большая плотность состояний. При поле, большем Механизм возникновения эффект Ганна, почти все электроны будут находиться в верхней долине. Соответственно, средняя дрейфовая скорость станет равной

В чем заключается эффект Ганна

(3)

Когда же поле таково, что часть электронов находится в верхней долине, а часть в нижней, плотность протекающего тока

В чем заключается эффект Ганна

(4)

где Механизм возникновения эффект Ганна- общее число электронов проводимости, не зависящее от величины поля В чем заключается эффект Ганна, а

В чем заключается эффект Ганна

(5)

То есть, при промежуточных значениях электрического поля скорость электронов при Механизм возникновения эффект Ганна может уменьшаться с увеличением поля, если В чем заключается эффект Ганна убывает быстрее, чем В чем заключается эффект Ганна. Зависимость скорости электронов от поля Механизм возникновения эффект Ганнадля GaAs имеет вид, показанный на рис. 2.

В чем заключается эффект Ганна

Рис.2. Зависимость скорости электронов от электрического поля.

Падающему участку данной зависимости соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление образца В чем заключается эффект Ганна, которое, как показано, обусловлено механизмом междолинного перехода электронов в зоне проводимости. Наличие отрицательного дифференциального сопротивления согласно общей теории генераторов указывает на возможность генерации электрических колебаний.

Рассмотренный механизм Ридли-Уоткинса-Xилсума указывает также, что спонтанная осцилляция тока под действием приложенного сильного внешнего поля может быть получена в любом многодолинном полупроводнике, при условии, что долины имеют минимумы с разной энергией и соответствующие плотности состояний. Явление междолинного перехода электронов, как указывалось, становится возможным, когда к образцу приложено сильное электрическое поле, которое «разогревает» электроны, увеличивая их кинетическую энергию больше, чем на Механизм возникновения эффект Ганна. Подвижность же носителей заряда для верхней долины значительно меньше (эффективная масса больше), чем для нижнего минимума (для GaAs, например, В чем заключается эффект Ганна, В чем заключается эффект Ганна).

Следовательно, в том месте образца, где электроны перешли в верхнюю долину, сопротивление становится выше, так как

(6)

(Для нижней и верхней долины i = 1, i = 2 соответственно).

Центром образования области повышенного сопротивления может стать любая локальная неоднородность в полупроводнике, так как электрическое поле около нее будет несколько больше, чем в однородной части.

Образование области повышенного сопротивления начинается с того, что под действием электрического поля, значение которого около неоднородности выше, электроны, находящиеся вблизи этой неоднородности переходят в более высокоэнергетическое состояние с меньшим значением подвижности Механизм возникновения эффект Ганна.



Поскольку поле в диоде Ганна из-за неоднородностей распределено неравномерно, то с большой вероятностью можно ожидать, что на неоднородности поле превысит значение В чем заключается эффект Ганна раньше, чем в остальной части диода. Скорость электронов в области неоднородности будет уменьшаться с дальнейшим увеличением поля в соответствии с зависимостью v(E), изображенной на рис. 2. Первоначальная область сильного электрического поля станет расширяться за счет того, что к замедлившимся на этом участке электронам, догоняя их, «притекут» электроны из области образца, находящийся между катодом и этой областью, и таким образом образуется избыточный отрицательный заряд в прикатодной области. «Легкие» электроны, находящиеся ближе к аноду (перед областью избыточного отрицательного заряда), будут «убегать» к аноду, вследствие чего на переднем фронте образуется избыточный положительный заряд. Таким образом, объемный заряд области возрастает, возрастает и поле в ней. Образовавшийся дипольный слой называется доменом.

Если внешнее напряжение, приложенное к диоду Ганна, остается неизменным, то с ростом домена поле вне его будет уменьшаться (В чем заключается эффект Ганна), уменьшается также и дрейфовая скорость Механизм возникновения эффект Ганна электронов вне домена. Процесс увеличения объемного заряда, усиления электрического поля внутри домена продолжается до тех пор, пока скорости электронов внутри и вне домена не станут равными. Причем равенство установится при скорости, меньшей В чем заключается эффект Ганна. После этого сформировавшийся домен сильного электрического поля дрейфует с постоянной скоростью к аноду и исчезает на нем. Затем образуется новый домен и процесс повторяется.

В стационарном режиме образуется всегда только один домен. Действительно, в области повышенного сопротивления поле будет больше, чем в однородной части. Поэтому поле вне домена всегда меньше критического В чем заключается эффект Ганна.

Обычно формирование домена начинается вблизи контактов, так как именно в приконтактных областях сконцентрированы локальные неоднородности. Домен, который участвует в возникновении СВЧ колебаний, формируется преимущественно у катода. Если же центром образования области повышенного сопротивления стала неоднородность вблизи анода, то вырасти в домен за время Механизм возникновения эффект Ганнадрейфа (где В чем заключается эффект Ганна- расстояние от неоднородности до анода) эта область не успеет, и неоднородность электрического поля будет снесена на анод электронным потоком. Время формирования домена, возникающего у катода, ограничено большей величиной: В чем заключается эффект Ганна. Поэтому при наличии контактных неоднородностей и у катода, и у анода центрами образования доменов станут участки повышенного поля именно вблизи катода.

При образовании домена плотность тока через образец уменьшается отМеханизм возникновения эффект Ганна до В чем заключается эффект Ганна, В чем заключается эффект Ганна остается неизменной во время распространения домена по диоду Ганна, и при исчезновении домена на аноде плотность тока снова увеличивается до Механизм возникновения эффект Ганна. Вслед за этим образуется новый домен и цикл повторяется. Таким образом, в цепи диода Ганна возникают периодические колебания тока.

Если время формирования и исчезновения домена значительно меньше времени его пролета вдоль образца (В чем заключается эффект Ганна), то и период возникающих колебаний тока примерно равен времени пролета В чем заключается эффект Ганна. Осцилляции тока имеют форму периодических импульсов (рис. 3). Уменьшение тока от максимального Механизм возникновения эффект Ганна до некоторого минимального значения В чем заключается эффект Ганна происходит по мере формирования домена. Минимальное значение тока В чем заключается эффект Ганна остается постоянным, пока домен перемещается к аноду. Распад домена на аноде сопровождается увеличенном тока до Механизм возникновения эффект Ганна, после чего снова образуется новый домен. Период колебаний токаВ чем заключается эффект Ганна.

Если длина образца В чем заключается эффект Ганна, Механизм возникновения эффект Ганна, то частота колебаний В чем заключается эффект Ганна.

В чем заключается эффект Ганна

Рис.3. Колебания тока в цепи с диодом Ганна

ОПИСАНИЕ И РАБОТА УСТАНОВКИ

Установка предназначена для автоматической записи вольтамперных характеристик генераторных диодов и измерения величины генерируемой диодом мощности. На панели установки (рис.4) расположены: индикаторная лампочка включения сети, ручки управления установкой, стрелочные измерительные приборы. В правой части панели расположены ручки управления:

тумблер «Запись-возврат», обеспечивающий включение и выключение развертки при записи ВАХ;

ручка «Амплитуда» , регулирующая максимальное напряжение развертки;



ручка «Скорость записи», регулирующая время заряда и время разряда конденсатора при записи ВАХ, обеспечивающий нужную скорость записи;

тумблер «Сеть» расположен на левой боковой стенке установки;

выходные гнезда для записи ВАХ — на задней панели.

Механизм возникновения эффект Ганна

Рис.4. Передняя панель установки.

На панели измерительных приборов установки расположены:



слева — миллиамперметр, измеряющий ток через диод Ганна (шкала 300 мкА);

в центре — вольтметр для измерения подаваемого на диод Ганна постоянного напряжения (шкала 10 В);

справа — миллиамперметр для измерения тока детектора СВЧ (шкала 1,25 мкА).

СВЧ-тракт установки включает в себя:

СВЧ — генератор с установленным в нем диодом Ганна (АА703Б);

измерительный аттенюатор;

детекторную секцию.

Функциональная схема установки приведена на рис.5.

В чем заключается эффект Ганна

Рис.5. Функциональная схема установки: ДГ — диод Ганна, ГР — генератор развертки, Д — детекторный диод, Ат – аттенюатор

Ход работы

В ходе лабораторной работы мы должны были получить ВАХ диода, но т.к. он оказался в нерабочем состоянии, нам это сделать не удалось.

Приблизительно ВАХ реального диода выглядит так, как показано на рис. 6

В чем заключается эффект Ганна

Рис.6. ВАХ реального диода

Также нам необходимо было рассчитать отрицательное дифференциальное сопротивление.

∆R = -167 кОм

Вывод: в ходе лабораторной работы мы не смогли изучить эффект Ганна, принципы работы СВЧ диодов на его основе и установление взаимосвязи между вольтамперными характеристиками диодов и выходными энергетическими параметрами.